Учёные разработали инновационное решение для хранения тепловой энергии

Если вы когда-нибудь от жары накрывали голову мокрым полотенцем, то вы использовали эффект фазового перехода материала (PCM). При переходе между двумя фундаментальными состояниями материи (твёрдое, жидкое, газообразное) происходит высвобождение или поглощение энергии. Охлаждение от влажного полотенца ваша голова получает, поскольку вода выступает в роли PCM, которая поглощает тепло при испарении. То есть, переходит из жидкого состояния в газообразное.

Способность PCM поглощать и высвобождать энергию привлекает всё больше внимания со стороны учёного сообщества в свете перехода от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии. Как известно, проблема последних заключается в том, что они доступны лишь время от времени (светит солнце, есть ветер и т. п.). Специалисты рассматривают свойства PCM именно в контексте сохранения энергии из возобновляемых источников для того, чтобы расходовать её в периоды спада выработки.

Многие считают эффект PCM многообещающим решением для хранения энергии, но сейчас его использование ограничено неразрешимыми техническими проблемами. Одну из таких проблем удалось решить специалистам из университета Иллинойса. Как сообщают они в своей статье, благодаря простой идее, им удалось расширить возможности по использованию PCM для энергоэффективного отопления и кондиционирования.

Один из авторов Ненад Милькович и руководитель исследования Вучен Фу объяснили, что любая система хранения тепловой энергии (TES) имеет два важных показателя.

• Первым является энергетическая плотность. Это то количество энергии, которое можно хранить в единице объёма или массы.
• Вторым показателем является плотность мощности на единицу объёма или массы. Эта скорость с которой можно извлечь энергию из данной системы.

Желательно, чтобы оба показателя были на высоком уровне. Однако в реальности большинство систем имеют высокую энергетическую плотность и низкую плотность мощности (кусок льда, например). Или, наоборот, высокую плотность мощности, но низкую энергетическую плотность (кусок металла, к примеру).

Милькович объясняет, что для достижения высоких величин обоих показателей люди создают композиты. Часть этих материалов составляет металл или металлическая матрица, которая позволяет провести нагрев и достижение хорошей удельной мощности. Компромисс заключается в том что они в этом случае жертвуют энергетической плотностью. По словам Мильковича, их метод позволяет добиться высокой энергетической плотности и плотности мощности одновременно.

Исследователи определили, что приложение легкого давления к плавящемуся PCM может решить проблему. Для этого достаточно просто удерживать PCM рядом с источником тепла, от которого он плавится. Раньше для достижения перехода материала из твёрдого состояния в жидкое использовался стационарный источник тепла. Этим обеспечивалось плавления примыкающего к нему стационарного блока PCM. По мере расплавления ближней стороны блока фронт плавления отступал от источника тепла. Увеличение расстояния между ним и сжимающимся PCM приводило к снижению удельной мощности и потере эффективности системой.

Исследователи провели эксперименты, которые они описывают в статье. Говорят, что они продемонстрировали эффективность нового подхода. По словам Мильковича, на новое решение их вдохновило наблюдение за плавлением кусочком масла на горячей сковороде. Оно произойдёт значительно быстрее, если надавить на него. При этом разработанная ими система крайне простая и недорогая.

Соавтор исследования Уильям Кинг отмечает, что хранение тепла уже давно представляет интерес для учёных, но пока используется редко. Чтобы сделать хранение тепла привлекательным для использования, нужно добиться высокой мощности. Тогда можно будет подумать о разработке решений для электромобилей, производства электроэнергии, центров обработки данных и так далее. Как говорят исследователи, проведённая работа позволит добиться аккумулирования тепла при высокой мощности, которой раньше добиться было невозможно.